식품의 종류는 다양하고, 공급망은 길며, 안전 관리는 어렵습니다. 검출 기술은 식품 안전을 보장하는 중요한 수단입니다. 그러나 기존 검출 기술은 핵심 물질의 낮은 특이성, 긴 시료 전처리 시간, 낮은 농축 효율, 그리고 질량 분석 이온원과 같은 검출 핵심 구성 요소의 낮은 선택성 등 식품 안전 검출에 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 어려움 속에서 장펑(Zhang Feng)이 이끄는 저희 최고 전문가 팀은 핵심 물질, 핵심 구성 요소, 그리고 식품 안전 검사의 혁신적인 방법 연구 분야에서 일련의 기술적 돌파구를 마련했습니다.
핵심 소재 연구개발 측면에서, 연구팀은 식품 내 유해 물질에 대한 전처리 물질의 특이적 흡착 메커니즘을 규명하고, 고특이성 흡착 마이크로나노 구조 전처리 물질을 개발했습니다. 미량/극미량 수준의 표적 물질을 검출하기 위해서는 농축 및 정제를 위한 전처리가 필요하지만, 기존 물질은 농축 능력이 제한적이고 특이성이 부족하여 검출 감도가 검출 요건을 충족하지 못했습니다. 연구팀은 분자 구조 분석을 통해 식품 내 유해 물질에 대한 전처리 물질의 특이적 흡착 메커니즘을 분석하고, 요소와 같은 작용기를 도입하여 화학 결합 조절 기능을 가진 공유 결합 유기 골격 물질(Fe3O4@ETTA-PPDI, Fe3O4@TAPB-BTT 및 Fe3O4@TAPM-PPDI)을 제조하고, 이를 자성 나노입자 표면에 코팅했습니다. 이 물질들은 아플라톡신, 플루오로퀴놀론계 수의약품, 페닐우레아계 제초제와 같은 식품 내 유해 물질의 농축 및 정제에 사용되었으며, 전처리 시간을 수 시간에서 수 분으로 단축했습니다. 국가표준방법과 비교하였을 때 검출감도가 100배 이상 향상되어, 물질 특이성이 낮아 전처리 공정이 번거롭고 검출감도가 낮아 검출요건을 충족시키기 어려운 기술적 난점을 극복하였습니다.
핵심 부품 연구개발 방향에서, 연구팀은 신소재를 분리하고 이를 질량 분석 이온 소스와 통합하여 고선택성 질량 분석 이온 소스 부품과 실시간 질량 분석 신속 검출 방법을 개발할 것입니다. 현재 현장 신속 검사에 일반적으로 사용되는 콜로이드 금 시험지는 소형이고 휴대성이 뛰어나지만, 정성 및 정량 정확도가 상대적으로 낮습니다. 질량 분석은 정확도가 높다는 장점이 있지만, 장비가 크고 긴 시료 전처리 및 크로마토그래피 분리 과정이 필요하여 현장 신속 검출에 사용하기 어렵습니다. 연구팀은 기존 실시간 질량 분석 이온 소스가 이온화 기능만 가지고 있다는 병목 현상을 극복하고, 다양한 분리 물질 개량 기술을 질량 분석 이온 소스에 도입하여 이온 소스가 분리 기능을 갖도록 했습니다. 이를 통해 식품과 같은 복잡한 시료 매트릭스를 정제하는 동시에 대상 물질을 이온화할 수 있어, 식품 질량 분석 전 번거로운 크로마토그래피 분리 과정을 없애고, 분리 이온화와 실시간 질량 분석 이온 소스가 통합된 일련의 이온 소스를 개발했습니다. 개발된 분자 임프린트 소재를 전도성 기판과 결합하여 새로운 질량 분석 이온원(그림 2 참조)을 개발하면, 식품 중 카바메이트 에스테르를 검출하는 실시간 질량 분석 신속 검출 방법이 확립되어 검출 속도가 ≤ 40초, 정량 한계가 최대 0.5μm에 이릅니다. 국가 표준 방법과 비교했을 때, g/kg의 검출 속도는 수십 분에서 수십 초로 단축되었고, 감도는 약 20배 향상되어 현장 식품 안전 검출 기술의 정확도가 부족하다는 기술적 문제를 해결했습니다.
2023년에 본 팀은 혁신적인 식품 안전 시험 기술에서 일련의 획기적인 성과를 달성하여, 8개의 새로운 정제 및 농축 소재와 3개의 새로운 질량 분석 이온 소스 요소를 개발했습니다. 15개의 발명 특허를 신청했고, 14개의 발명 특허를 승인받았습니다. 2개의 소프트웨어 저작권을 취득했고, 9개의 식품 안전 기준을 개발했으며, 국내외 학술지에 21개의 논문을 게재했으며, 그중 8개는 SCI Zone 1 TOP 논문입니다.